Pengantar Ilmu Kimia

Pengantar ilmu KIMIA 41 2. Molekul air (H2O) Sebuah molekul air terdiri dari dua atom H dan satu atom O. Ada dua pasang elektron bebas (PEB) dan dua ikatan kovalen (PEI). Molekul air bersifat polar karena menciptakan sudut. Senyawa polar seringkali memiliki titik leleh dan titik didih yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan segolongannya. Lihat perbandingan titik didih air (100°C) dengan titik didih H2S (-61°C). 3. Molekul karbon tertra klorida (CCl4) Ada empat pasang elektron ikatan (PEI) dan satu pasang elektron bebas (PEB) dalam molekul CCl4. Molekulnya non-polar dan tidak memiliki momen dipol karena tolakan antara PEI dan PEI, yang memungkinkan pasangan elektron terdispersi secara seragam di sekitar atom pusat dengan struktur molekul tetrahedral (Effendy, 2022). D. Interaksi Antar Molekul Beberapa interaksi antar molekul yang ada dalam kimia antara lain: 1. Gaya London/Gaya Dispersi/ Gaya Tarik Menarik dipol sesaat-dipol terimbas. Gaya London pertama kali dikemukakan oleh Fritz London. Gaya London yang dihasilkan dari aliran elektron yang serampangan di sekitar atom, adalah gaya tarik-menarik yang lemah antara atom atau molekul. Muatan atom tidak seimbang karena elektron melayang tidak menentu di sekitar nukleusnya.

42 Pengantar ilmu KIMIA Akibatnya, dipol transien dibuat. Terlepas dari kelemahannya, dipol yang saling berhadapan menempel satu sama lain. Molekul non-polar adalah inang utama dari gaya-gaya ini. Polarisasi satu molekul mempengaruhi polarisasi molekul di dekatnya. Molekul non-polar dalam cairan atau padatan disatukan oleh gaya tarik menarik di antara dipol sesaat ini. 2. Ikatan Hidrogen Ada hubungan hidrogen antara senyawa yang sangat polar yang mengandung gas hidrogen. Suhu didih senyawa hidrida unsur golongan IV A, V A, VI A, dan VII A. Gambar 1. Titik Didih dan Bobot Molekul Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa senyawa hidrida golongan IVA menunjukkan perilaku yang khas, dengan titik didih meningkat sebanding dengan massa molekul yang ditambahkan. Pola yang diamati

Pengantar ilmu KIMIA 43 konsisten dengan ekspektasi, karena gaya Van der Waals meningkat dengan bertambahnya massa molekul relatif dari CH4 menjadi SnH. Seperti yang diilustrasikan pada gambar, ada beberapa pencilan, antara lain HF, H2O, dan NH3. Sehubungan dengan senyawa lain dalam golongan tersebut, ketiga senyawa tersebut memiliki titik didih yang sangat tinggi. Ini menunjukkan bahwa molekul-molekul dalam senyawa ini sangat tertarik satu sama lain. Meskipun bersifat polar, gaya dopol-dipol molekul HF, H2O, dan NH3 tidak cukup untuk menjelaskan suhu didihnya yang sangat tinggi. Molekul-molekul ini menarik karena mata rantai lain, ikatan hidrogen. Ikatan F-H, OH, dan N-H sangat polar karena unsur F, O, dan N sangat elektronegatif. Senyawa ini mengandung banyak atom H positif. Akibatnya, pasangan elektron tunggal dalam atom atau unsur dengan keelektronegatifan tinggi membentuk hubungan yang kuat antara atom H dari satu molekul dan Atom yang sangat elektronegatif (F, O, dan N) dari molekul terdekat. 3. Gaya Van der Waals Johannes Van der Waals adalah orang pertama yang menemukan gaya ini (1837-1923). Gaya tarik elektromagnetik ini sangat sederhana. Ini hasil dari polaritas bawaan atau buatan molekul. Molekul saling tolak menolak ketika kutubnya identik. Sebaliknya, jika keduanya memiliki kutub yang berlawanan, mereka akan tertarik satu sama lain. Gaya van der Waals diklasifikasikan menjadi empat kategori berdasarkan polaritas partikel:

44 Pengantar ilmu KIMIA a. Interaksi ion-dipol Alasan interaksi ini adalah daya tarik yang luar biasa tinggi antara ion dan molekul polar. Kelarutan dipastikan melalui interaksi ini. b. Interaksi dipol-dipol Alasan interaksi ini adalah molekul polar yang ditemukan di kepala dan ekor molekul. Gambar 2. interaksi dipol-dipol c. Interaksi Ion-dipol terinduksi Alasan interaksi ini adalah dipol dan ion yang mengalami induksi. Kepolaran molekulterinduksi relative kecil dibandingkan dipol permanaen, sehingga kaitannya lemah. d. Interaksi dipol-dipol terinduksi Ada hubungan dipol-dipol terinduksi karena molekul dipol dapat menghasilkan molekul netral tambahan yang terinduksi dipol. Interaksi yang dihasilkan memiliki koneksi yang lemah. Itulah alasan lambatnya prosedur keterlibatan ini.

Pengantar ilmu KIMIA 45 CAIRAN DAN PERUBAHAN KEADAAN Ni Putu Rahayu Artini, S.Si., M.Si.

46 Pengantar ilmu KIMIA alam kimia, cairan adalah substansi yang memiliki karakteristik antara padatan dan gas. Secara umum, cairan memiliki volume tetap tetapi tidak memiliki bentuk tetap dan dapat mengalir. Salah satu karakteristik khas cairan adalah kerapatan yang lebih rendah daripada padatan dan kemampuan untuk mengisi wadah sesuai bentuknya. Larutan kimia adalah campuran homogen dari dua atau lebih substansi, solut dan pelarut, dengan proporsi tertentu. Solut adalah substansi yang larut dalam larutan, dan pelarut adalah substansi yang melarutkan solut. Larutan kimia dapat berupa padatan, cairan, atau gas. A. Sifat-Sifat Cairan 1. Sifat Fisika Cairan Dalam ilmu kimia, perubahan materi dari satu keadaan fisik atau kimia ke keadaan lain disebut sebagai perubahan keadaan. Beberapa jenis perubahan keadaan yang paling umum dalam ilmu kimia adalah perubahan fisik dan kimia. Perubahan Fisik: Perubahan ini terjadi ketika sifat fisik suatu zat berubah tanpa mengubah identitas kimianya. Contoh perubahan fisik adalah perubahan bentuk, ukuran, atau keadaan agregasi suatu zat tanpa mengubah komposisi kimianya. Faktor yang mempengaruhi perubahan secara fisika adalah viskositas dan densitas. a. Viskositas Viskositas adalah ukuran seberapa tahan cairan terhadap aliran. Cairan dengan viskositas rendah lebih D

Pengantar ilmu KIMIA 47 mudah mengalir, sementara cairan dengan viskositas tinggi cenderung lebih kental dan sulit mengalir. Faktor yang mempengaruhidiantaranya suhu berperan penting dalam viskositas cairan; umumnya, viskositas cairan menurun dengan meningkatnya suhu. Cairan dengan molekul besar atau bentuk kompleks biasanya lebih kental. b. Densitas Densitas adalah ukuran massa per unit volume suatu zat. Densitas cairan dapat memberikan informasi tentang sejauh mana partikel-partikel penyusun cairan rapat atau terdispersi dalam suatu volume tertentu. Faktor yang mempengaruhi: densitas cairan dapat dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Secara umum, densitas cairan akan berkurang dengan meningkatnya suhu. Selain itu, densitas cairan juga dapat dipengaruhi oleh konsentrasi zat dalam larutan. Kedua sifat ini dapat saling terkait dalam hal sifat aliran cairan. Viskositas yang tinggi dapat membuat cairan lebih sulit mengalir, tetapi densitas yang tinggi dapat memberikan gaya gravitasi yang lebih besar yang mendorong cairan untuk mengalir. Dalam beberapa kasus, cairan dengan densitas tinggi mungkin memiliki viskositas yang tinggi juga, karena partikel penyusunnya mengalami kesulitan mengalir satu sama lain. c. Tekanan Tekanan pada cairan merujuk pada gaya yang diberikan oleh partikel-partikel cairan pada dinding wadah tempat cairan tersebut berada. Tekanan ini dapat didefinisikan sebagai gaya per satuan luas yang

48 Pengantar ilmu KIMIA bekerja tegak lurus pada suatu bidang dalam cairan. Unit umum untuk tekanan dalam sistem internasional adalah pascal (Pa), yang setara dengan satu newton per meter persegi (N/m²). Pengaruh Tekanan pada Karakteristik Cairan dalam Ilmu Kimia: Tekanan dapat memengaruhi viskositas cairan. Viskositas adalah tingkat ketebalan atau kekentalan cairan. Tekanan yang diberikan pada cairan dapat mengubah interaksi antar molekul dan oleh karena itu dapat mempengaruhi sejauh mana cairan itu mengalir. Pada tekanan tertentu, titik didih dan titik beku suatu cairan dapat berubah. Tekanan yang lebih tinggi dapat meningkatkan titik didih dan menurunkan titik beku cairan. Ini memiliki implikasi dalam proses pemanasan atau pendinginan cairan pada kondisi tekanan yang berbeda. Tekanan juga dapat memengaruhi sifat elastis cairan. Beberapa cairan dapat menunjukkan sifat elastis, yang berarti mereka dapat mengalami deformasi reversibel ketika diberikan tekanan tertentu. Tekanan dapat memengaruhi kecepatan reaksi kimia dalam cairan. Perubahan tekanan dapat mengubah keseimbangan reaksi kimia dan laju reaksi, yang merupakan aspek penting dalam berbagai proses kimia. Tekanan juga memiliki pengaruh pada kelarutan gas dalam cairan. Hukum Henry menyatakan Kelarutan gas dalam cairan meningkat dengan meningkatnya tekanan gas di atasnya. 2. Sifat Kimia Cairan Perubahan kimia adalah perubahan dalam identitas zat, di mana zat-zat awal mengalami transformasi

Pengantar ilmu KIMIA 49 menjadi zat baru dengan sifat-sifat yang berbeda. Selama perubahan kimia, ikatan kimia antara atom dapat terputus dan membentuk ikatan baru, menghasilkan zat dengan sifat-sifat baru. Proses ini dapat melibatkan perubahan warna, perubahan suhu, pembentukan gas, atau perubahan dalam karakteristik fisik atau kimia lainnya. Perubahan secara kimia mempengaruhi bebrapa reaksi seperti reaktivitas, struktur molekul, kelarutan, sifat asam-basa, reaksi energi faktor katalisator dan sifat elektrolit. a. Reaktivitas Reaktivitas dalam konteks kimia merujuk pada kemampuan suatu zat untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia. Reaktivitas dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, dan perubahan dalam sifat kimia suatu zat dapat erat terkait dengan tingkat reaktivitasnya. Berikut adalah beberapa hubungan antara reaktivitas dan perubahan dalam sifat kimia: 1) Struktur molekuler Sifat kimia suatu zat sangat dipengaruhi oleh struktur molekuler atau atomiknya. Struktur ini menentukan sejauh mana suatu zat dapat berinteraksi dengan zat lain dalam reaksi kimia. Molekul dengan ikatan kimia yang lebih mudah terputus atau lebih reaktif cenderung memiliki reaktivitas yang tinggi. 2) Kelarutan Kelarutan suatu zat dalam pelarut tertentu dapat memengaruhi reaktivitasnya. Zat yang larut dalam pelarut tertentu lebih mudah berpartisipasi dalam

50 Pengantar ilmu KIMIA reaksi dengan zat lain yang juga larut dalam pelarut tersebut. 3) Keasaman atau Kebasaan Keasaman atau kebasaan suatu zat dapat memengaruhi kemampuannya untuk berinteraksi dengan zat lain. Zat asam cenderung bereaksi dengan zat basa, dan tingkat keasaman atau kebasaan dapat mencerminkan sejauh mana suatu zat dapat melepaskan atau menerima proton. 4) Energi Reaksi Energi yang diperlukan atau dilepaskan selama suatu reaksi kimia (disebut entalpi reaksi) juga dapat memengaruhi reaktivitas. Reaksi eksotermik, yang melepaskan energi, cenderung lebih cepat daripada reaksi endotermik yang membutuhkan energi tambahan. Kondisi reaksi dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan kelembaban adalah faktor kondisi reaksi yang dapat mempengaruhi reaktivitas suatu zat. Beberapa reaksi kimia dapat menjadi lebih cepat atau lambat tergantung pada kondisi-kondisi ini. 5) Keberadaan Katalisator Katalisator adalah zat yang dapat meningkatkan kecepatan reaksi tanpa mengubahnya secara signifikan. Keberadaan katalisator dapat mempengaruhi reaktivitas suatu zat dalam reaksi kimia. Secara keseluruhan, perubahan dalam sifat kimia suatu zat dapat memberikan gambaran tentang seberapa reaktif zat tersebut dalam berbagai kondisi dan lingkungan. Faktor-faktor seperti struktur molekuler, kelarutan, keasaman, energi reaksi, kondisi

Pengantar ilmu KIMIA 51 reaksi, dan keberadaan katalisator semuanya berperan dalam menentukan reaktivitas suatu zat. B. Perubahan Keadaan Cairan Perubahan keadaan cairan dalam ilmu kimia melibatkan konsep transisi antara tiga keadaan materi utama: padat, cair, dan gas. Perubahan ini disebut perubahan fase atau perubahan wujud. Berikut adalah beberapa contoh perubahan keadaan cairan dalam ilmu kimia: 1. Perubahan Sifat Fisika Perubahan Fisik adalah perubahan yang melibatkan perubahan dalam sifat fisik suatu zat tanpa adanya perubahan dalam identitas kimianya. Contoh perubahan fisik melibatkan perubahan bentuk, ukuran, atau keadaan agregasi suatu zat tanpa mengubah komposisi kimianya. Contoh perubahan secara fisika adalah a. Pembekuan (Pengerasan) Pembekuan adalah proses ketika cairan berubah menjadi padat. Contoh: Air menjadi es pada suhu di bawah titik beku (0°C atau 32°F). b. Peleburan Peleburan adalah proses ketika padatan berubah menjadi cairan. Contoh: Es menjadi air pada suhu di atas titik beku (0°C atau 32°F).

52 Pengantar ilmu KIMIA c. Kondensasi Kondensasi adalah perubahan dari gas menjadi cairan. Contoh: Uap air menjadi tetesan air pada permukaan yang dingin. d. Penguapan (Eduksi) Penguapan adalah perubahan dari cairan menjadi gas. Contoh: Air menjadi uap air pada suhu di atas titik didih (100°C atau 212°F). e. Sublimasi Sublimasi adalah proses zat langsung berubah dari keadaan padat menjadi gas tanpa melewati fase cair. Contoh: Es karbon (dry ice) menguap menjadi gas karbon dioksida. 2. Perubahan Sifat Kimia Perubahan kimia adalah perubahan dalam identitas zat, di mana zat awal mengalami perubahan menjadi zat baru dengan sifat yang berbeda. Selama perubahan kimia, ikatan kimia antara atom dapat terputus dan membentuk ikatan baru, menghasilkan zat dengan sifat yang baru. Proses ini dapat melibatkan perubahan warna, perubahan suhu, pembentukan gas, atau perubahan karakteristik fisik atau kimia lainnya. Berikut adalah beberapa contoh perubahan kimia: a. Pembakaran: ketika bahan bakar seperti kayu atau bensin terbakar, terjadi reaksi kimia dengan

Pengantar ilmu KIMIA 53 oksigen dari udara, menghasilkan panas, gas, dan abu. b. Reaksi Oksidasi: ketika besi teroksidasi, ia berubah menjadi karat. Ini adalah contoh perubahan kimia, besi bereaksi dengan oksigen untuk membentuk senyawa oksida besi. c. Reaksi Pencampuran: ketika asam dan basa dicampur, terjadi reaksi kimia yang menghasilkan garam dan air. Ini dikenal sebagai reaksi netralisasi. d. Reaksi pembentukan gas: ketika natrium bikarbonat dicampur dengan cuka, terjadi reaksi yang menghasilkan gas karbon dioksida, yang terlihat sebagai gelembung-gelembung. e. Reaksi degradasi fitokimia: daun yang berubah warna pada musim gugur. Perubahan warna terjadi karena proses kimia dalam daun, seperti degradasi klorofil. 3. Faktor yang Mempengaruhi Perubahan Keadaan Cairan Faktor-faktor utama yang mempengaruhi perubahan keadaan cairan melibatkan suhu, tekanan, volume, dan jenis cairan. Berikut adalah penjelasan singkat untuk masing-masing faktor tersebut: a. Suhu Suhu adalah salah satu faktor kunci yang mempengaruhi perubahan keadaan cairan. Pada umumnya, ketika suhu meningkat, cairan akan mengalami perubahan fase dari padat ke cair, atau dari cair ke gas, tergantung pada jenis zat tersebut.

54 Pengantar ilmu KIMIA Sebaliknya, penurunan suhu dapat menyebabkan perubahan fase sebaliknya. b. Tekanan Tekanan adalah gaya per satuan luas yang bekerja pada suatu benda. Pada cairan, perubahan tekanan dapat mempengaruhi titik didih dan titik beku. Peningkatan tekanan dapat meningkatkan titik didih dan menurunkan titik beku cairan, sementara penurunan tekanan dapat memiliki efek sebaliknya. c. Volume Volume cairan dapat berubah sebagai respons terhadap perubahan suhu dan tekanan. Pada umumnya, ketika suhu atau tekanan meningkat, volume cairan dapat meningkat atau berkurang tergantung pada sifat-sifat khusus cairan tersebut. d. Jenis Cairan Setiap zat cair memiliki sifat-sifat unik yang dapat memengaruhi perubahan keadaan. Misalnya, beberapa cairan dapat memiliki titik didih atau titik beku yang rendah, sementara yang lain mungkin memiliki sifatsifat yang membuatnya lebih stabil pada suhu dan tekanan tertentu. 4. Diagram Fase Cairan Diagram fase antara temperatur dan tekanan, juga dikenal sebagai diagram fase P-T, menggambarkan bagaimana keadaan materi (padat, cair, atau gas) dari suatu zat berubah dengan variasi suhu dan tekanan. Pada umumnya, garis di dalam diagram fase ini

Pengantar ilmu KIMIA 55 mewakili perbatasan antara fase-fase tersebut pada kondisi tertentu. Untuk memberikan gambaran lebih jelas, mari kita ambil contoh diagram fase umum dan bagaimana interpretasinya: Gambar 1. Contoh Diagram Fase Air a. Titik Tripel (T-T): Representasi: Titik di mana padat, cair, dan gas koeksisiten dalam kesetimbangan. Contoh: Pada diagram fase air, titik tripel adalah di 0.01°C dan tekanan 611.657 Pascal. b. Garis Padat-Cair (kurva beku): Representasi: Menunjukkan kombinasi suhu dan tekanan di mana zat dapat berada dalam keadaan padat atau cair. Contoh: Garis ini menunjukkan suhu pada titik beku air pada tekanan tertentu. c. Garis Cair-Gas (kurva didih):

56 Pengantar ilmu KIMIA Representasi: Menunjukkan kondisi di mana cairan dapat berubah menjadi gas. Contoh: Garis ini menunjukkan suhu pada titik didih air pada tekanan tertentu. d. Garis Padat-Gas (sublimasi): Representasi: Menunjukkan kondisi di mana padatan dapat berubah langsung menjadi gas tanpa melewati fase cair. Contoh: Area di atas garis padat-cair menunjukkan kondisi sublimasi. e. Daerah Fase Padat, Cair, dan Gas: Representasi: Menunjukkan di mana masingmasing fase dapat ada pada kombinasi tertentu dari suhu dan tekanan. Contoh: Daerah padat, cair, dan gas di sekitar titik tripel, garis padat-cair, dan garis cair-gas. f. Poin Kritis (C): Representasi: Titik di mana tidak ada lagi perbedaan antara fase cair dan gas. Contoh: Pada diagram air, poin kritis terjadi di suhu 374.15°C dan tekanan 22.064 MegaPascal.

Pengantar ilmu KIMIA 57 E. Penerapan Perbahan Cairan dalam Kehidupan Perubahan keadaan cairan memiliki berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari. Berikut beberapa contoh penerapan perubahan keadaan cairan dalam kehidupan sehari-hari: 1. Pembeku Makanan Proses pembekuan adalah contoh perubahan keadaan cairan yang umum. Pembekuan makanan memperpanjang umur simpan dan mencegah pertumbuhan mikroorganisme, sehingga memudahkan penyimpanan dan pengawetan makanan. 2. Proses Pembuatan Es Krim Pembuatan es krim melibatkan perubahan fase dari cair menjadi padat. Suhu rendah dan pengadukan cairan es krim menyebabkan pembekuan dan pembentukan kristal es, menciptakan tekstur dan rasa yang diinginkan. 3. Pemanfaatan Sifat Hidrofobik dan Hidrofilik dalam Produk Kosmetik Produk kosmetik seperti sabun, sampo, dan krim menggunakan perubahan fase dari air dan minyak untuk menciptakan formulasi yang efektif. Emulsi airke-minyak dan minyak-ke-air dimanfaatkan untuk mencapai hasil yang diinginkan dengan bantual emulgator.

58 Pengantar ilmu KIMIA 4. Proses Distilasi dalam Pembuatan Minuman Keras Distilasi adalah proses perubahan fase yang digunakan dalam pembuatan minuman keras seperti vodka dan whiskey. Pada suhu tertentu, alkohol menguap dan kemudian kondensasi kembali menjadi cairan. 5. Deterjen dan Sabun Deterjen dan sabun adalah contoh cairan pembersih yang mengalami perubahan fase. Mereka bekerja dengan membentuk emulsi atau micelle, di mana komponen hidrofobik dan hidrofilik dari deterjen atau sabun bekerja bersama-sama untuk menghilangkan kotoran dan minyak dari permukaan. 6. Penggunaan Cairan Pengkilap dan Pewangi Produk pembersih seringkali mengandung cairan pengkilap dan pewangi. Setelah aplikasi, cairan ini dapat membentuk lapisan tipis yang memberikan kilau dan aroma menyegarkan, memberikan hasil pembersihan yang lebih baik serta cepat. 7. Penggunaan Dalam Proses Pemanasan dan Pendinginan Industri menggunakan perubahan fase untuk memanfaatkan sifat termal cairan pada proses pemanasan dan pendinginan. Misalnya, dalam proses distilasi minyak bumi, minyak mentah dipanaskan hingga mencapai titik didihnya untuk memisahkan komponen-komponennya.

Pengantar ilmu KIMIA 59 8. Proses Ekstraksi dalam Industri Kimia Perubahan fase sering digunakan dalam industri kimia untuk ekstraksi zat-zat tertentu dari campuran. Salah satu contohnya adalah ekstraksi pelarut, di mana pelarut cair digunakan untuk mengekstraksi senyawasenyawa tertentu dari bahan campuran. 9. Proses Pemurnian Logam Industri logam menggunakan perubahan fase dalam proses pemurnian. Misalnya, elektrolisis logam dapat memanfaatkan perubahan fase untuk memisahkan logam dari senyawa-senyawa lainnya. 10. Proses Reaksi Kimia dalam Farmasi Industri farmasi menggunakan perubahan fase dalam berbagai reaksi kimia untuk sintesis obat-obatan dan produk farmasi lainnya. Beberapa reaksi memanfaatkan sifat-sifat termal cairan untuk menghasilkan produk yang diinginkan.

60 Pengantar ilmu KIMIA

Pengantar ilmu KIMIA 61 STOIKIOMETRI Nur Komariyah, M.Si. 1. Menjelaskan pengertian stoikiometri 2. Menyetarakan persamaan reaksi 3. Menggunakan konsep mol dalam perhitungan 4. Menentukan rumus empiris, rumus molekul, dan air kristal 5. Menentukan pereaksi pembatas 6. Menghitung persen hasil dari suatu reaksi kimia 7. Memahami stoikiometri dalam kehidupan sehari-hari. Tujuan Pembelajaran:

62 Pengantar ilmu KIMIA ndonesia merupakan negara yang sangat kaya dengan ragam minuman, salah satunya adalah es buah. Jenis buah yang digunakan dalam es buah misalnya : kelengkeng, alpokat, melon, semangka, mangga, nanas dll. Es buah terbuat dari beberapa jenis buah, sirup, susu dan es batu. Kali ini kita akan belajar perhitungan kimia menggunakan analogiresep minuman es buah. Mari kita perhatikan resep es buah berikut : Bahan : 1. 250 g semangka 2. 250 g melon I

Pengantar ilmu KIMIA 63 3. 200 g apel 4. 500 g nanas 5. 1 liter susu full cream 6. 100 mL air gula / sirup 7. Es batu secukupnya Hasil : 10 gelas es buah Resep tersebut dapat ditulis dalam hubungan reaktan dan produk. Dengan mengabaikan es batu diperoleh persamaan : 250 g semangka + 250 g melon + 200 g apel + 500 g nanas + 1000 mL susu full cream + 100 mL air 10 gelas es buah. Persamaan tersebut dapat disederhanakan menjadi : 25 g semangka + 25 g melon + 20 g apel + 50 g nanas + 100 mL susu full cream + 10 mL air 1 gelas es buah. Semangka, melon, apel, nanas, susu full cream dan air dalam stoikiometri disebut sebagai reaktan, sedangkan es buah sebagai produk. Namun dalam stoikiometri reaktan dan produk dituliskan dalam bentuk rumus kimia. Kita akan menggunakan kembali resep es buah dalam aplikasi stoikiometri, khususnya pada bagian pereaksi pembatas dan persen hasil. A. Pengertian Stoikiometri Stoikiometri berasal dari bahasa Latin (stoicheon : unsur atau bagian; metron : ukuran), stoikiometri dapat didefinisikan sebagai pengukuran atau perhitungan matematis dari reaktan dan produk sebuah reaksi kimia. Menurut Dalton reaksi kimia adalah proses tata ulang susunan atom-atom dalam suatu molekul. Diawali dari terurainya atom-atom dari suatu molekul, kemudian bergabung kembali dengan susunan yang

64 Pengantar ilmu KIMIA berbeda. Dengan memahami stoikiometri, peserta didik dapat melakukan perhitungan matematis dari sebuah reaksi kimia. Massa, volume, dan jumlah zat yang terlibat dalam reaksi kimia dapat dihitung dengan melihat hubungan antara reaktan dan produk dengan menggunakan data-data yang tersedia. Untuk dapat melakuan perhitungan tersebut peserta didik harus terampil dalam menyetarakan persamaan reaksi kimia. Untuk melatih kembali keterampilan dalam menyetarakan persamaan reaksi, kerjakan latihan berikut : Setarakan persamaan reaksi berikut ini ! 1. C4H10 + O2 CO2 + H2O 2. NH3 + O2 NO+ H2O 3. Fe2(SO4)3 + KOH Fe(OH)3 + K2SO4 4. Ca3(PO4)2 + SiO2 CaSiO3 + P4O10 Prinsip penyetaraan persamaan reaksi Prinsip penyetaraan persamaan reaksi adalah jumlah atom yang ada pada sisi kiri (reaktan) = jumlah atom pada sisi kanan (produk) B. Konsep Mol Selain terampil dalam menyetarakan reaksi kimia, peserta didik harus paham konsep mol. Mol adalah satuan yang digunakan untuk menunjukkan jumlah zat. Dalam kenyataannya reaksi-reaksi kimia melibatkan banyak atom, molekul, atau ion. Oleh karena ukurannya yang sangat kecil maka tidak mungkin digunakan satuan

Pengantar ilmu KIMIA 65 kodi, rim, lusin atau satuan lain dikenal dalam kehidupan sehari-hari. Maka dalam menentukan ukuran jumlah partikel digunakan satuan jumlah partikel yang disebut mol. Satu mol adalah sejumlah partikel yang terkandung di dalam suatu zat yang jumlahnya sama dengan banyaknya atom yang terdapat dalam 12 gram C-12. Jumlah partikel dalam satu mol adalah 6,022 x 1023 , yang dikenal juga sebagai bilangan Avogadro. Untuk mengingat hubungan mol dengan massa, volume, dan jumlah partikel perhatikan rumus berikut. Contoh 1. Hitunglah massa dari 0,1 mol gas metana (CH4)! Diketahui : 0,1 mol gas karbon dioksida Ditanya : massa gas karbon dioksida Jawab : Massa CO2 = mol x massa molar CO2 = 0,1 mol x 16 g mol-1 = 1,6 g 2. Hitunglah jumlah mol dari 18 gram air. Diketahui : massa air 18 gram Ditanya : mol air

66 Pengantar ilmu KIMIA Jawab: mol g mol g massa molar massa Mol air 1 18 . 18 1 1. Ayo Berlatih Apakah kalian sudah paham dengan hubungan antara mol dengan massa, volume, dan jumlah zat? Untuk mengasah pemahaman kalian, coba kalian kerjakan soal latihan berikut! a. Hitunglah jumlah mol dari 6 gram magnesium! b. Berapakan massa dari 0,1 mol NaCl ? c. Tentukan volume dari 9,2 gram gas NO2(Mr=46) pada keadaan STP! d. Berapa jumlah atom karbon yang terkandung dalam 4,46 liter gas propana (C3H8) pada kondisi STP? e. Berapa molekul gas NO yang menempati ruang 5,6 liter diukur pada 0oC, 1 atm? Diketahui : Ar H=1, C=12, N=14, O=16, Mg=24, Cl=35,5 C. Rumus Molekul dan Rumus Empiris

Pengantar ilmu KIMIA 67 Senyawa kimia dinyatakan dengan rumus kimia yang menunjukkan jenis dan jumlah relatif atom-atom yang menyusun senyawa tersebut. Rumus kimia ini dinyatakan dalam rumus molekul dan rumus empiris. Rumus molekul menunjukkan jumlah sebenarnya dari atom yang menyusun molekul senyawa. Misal air (H2O) artinya setiap molekul air tersusun 2 atom hidrogen dan 1 atom oksigen. Rumus empiris menunjukkan perbandingan paling sederhana dari jumlah atom-atom yang menyusun molekul suatu senyawa. Benzena memiliki rumus molekul C6H6. Perbandingan atom C dan H yang menyusun adalah 1 : 1, sehingga rumus empirisnya adalah C. 2. Aktivitas Peserta Didik Lakukan diskusi dengan teman sebangku atau kelompok untuk mengisi tabel betikut. (untuk menentukan massa molar, silahkan lihat tabel periodik unsur) Senyawa Massa molar (g.mol-1 ) Rumus molekul Rumus empiris Hidrogen peroksida 34 .................. HO Heksana ............... C6H14 ............... Asam oksalat ............... C2H2O4 ............... Asam asetat ................ C2H4O2 ............... Rumus empiris ditemukan dari data percobaan, sedangkan rumus molekul diketahui dengan menggunakan instrumentasi kimia. Kita dapat menentukan rumus

68 Pengantar ilmu KIMIA Rumus molekul = (rumus empiris)n Mr = rumus empiris x n molekul jika mengetahui massa molekul relatif suatu senyawa dan rumus empirisnya. Langkah menentukan rumus empiris dari suatu senyawa sebagai berikut. 3. Cara menentukan rumus empiris a. Menghitung massa dari atom-atom penyusun molekul. b. Menghitung mol masing-masing atom yang menyusun molekul. c. Menghitung rasio mol dari atom-atom penyusun molekul. d. Menentukan ruus empiris berdasarkan rasio atomatom penyusunnya. 4. Cara menentukan rumus molekul Rumus molekul bisa ditentukan jika diketahui rumus empiris dan massa molekul relatifnya (Mr). Rumus empiris menunjukkan perbandingan paling sederhana dari atom-atom penyusun suatu molekul. Hubungan massa molekul relatif (Mr) senyawa dengan rumus empiris, yaitu sebagai berikut. Hubungan rumus molekul dengan rumus empiris berikut. Catatan : n adalah bilangan bulat sederhana yang menunjukkan perbandingan Mr berdasarkan rumus molekul dan Mr berdasarkan rumus empiris.

Pengantar ilmu KIMIA 69 Contoh 1. Dari hasil analisis, suatu senyawa mengandung 75% unsur karbon dan 25 % unsur hidrogen. Tentukan rumus empiris senyawa tersebut. Jawab: Langkah 1, menentukan massa karbon dan hydrogen. Dengan asumsi massa senyawa 100 gram, maka massa karbon dan hidrogen adalah : Massa karbon = 75 % x 100 g = 75 g Massa karbon = 25 % x 100 g = 25 g Langkah 2, menentukan mol karbon dan hydrogen. mol g mol g Ar karbon massa karbon Mol karbon 6,25 12 . 75 1 mol g mol g Ar hidrogen massa karbon Mol hidrogen 25 1 . 25 1 Mol karbon : mol hidrogen = 6,25 mol : 25 mol = 1 : 4 Dari perbandingan mol tersebut rumus empirisnya CH4 2. Suatu senyawa memiliki massa molar 80 g.mol-1 , senyawa tersebut mengandung 60% karbon, 5% hiudrogen, dan sisanya nitrogen. Tentukan rumus molekul senyawa tersebut. Jawab: Langkah 1, menentukan rumus empiris senyawa, dapat dilakukan menggunakan table berikut.

70 Pengantar ilmu KIMIA Atom Ar (g.mol-1 ) Persen massa (%) Massa dalam 100 g Mol Perban dingan mol Karbon 12 60 60 60/12 = 5 2 Hidroge n 1 5 5 5/1 = 5 2 Nitrogen 14 35 35 35/14 = 2,5 1 Jadi rumus empiris senyawa di atas adalah C2H2N Langkah 2, menentukan rumus molekul dengan data rumus empiris dan massa molar. Mr = rumus empiris x n 80 = (C2H2N)n 80 = (24+2+14)n 80 = 40 n n = 2 Jadi rumus molekul senyawa tersebut (C2H2N)2 = C4H4N2 3. Ayo Berlatih Mari cek pemahaman dengan mengerjakan latihan berikut. a. Tentukan rumus empiris senyawa yang disusun oleh : 1) 63,6 % besi dan 36,4 % belerang 2) 53,3 % oksigen, 40 % karbon, 6,7 % hidrogen b. Glutamat adalah asam amino dan komponen protein makanan hewani dan nabati. Secara alami hadir dalam banyak makanan yang kita makan sehari-hari. Glutamin adalah asam amino terkait yang dapat terjadi secara alami pada tingkat tinggi di beberapa makanan.

Pengantar ilmu KIMIA 71 Ini berubah menjadi glutamat ketika enzim ‚glutaminase‛ ditambahkan ke makanan. Glutaminase dapat digunakan dalam tepung terigu, produk roti, pasta, protein terhidrolisis, beberapa produk telur, ekstrak ragi dan beberapa sediaan penyedap rasa. Glutamat dapat ditambahkan langsung ke makanan dalam bentuk monosodium glutamat ( digunakan untuk meningkatkan cita rasa makanan, seperti:MSG). Bahan penyedap makanan monosodium glutamat (MSG) mempunyai susunan 13,6% Na, 35,5% C, 4,8% H, 8,3% N, dan 37,7% O (Ar Na = 23; C = 12; H = 1; N = 14 ; O =16). Tentukan rumus empiris MSG tersebut! D. Pereaksi Pembatas Dalam ilmu kimia, pereaksi pembatas adalah pereaksi yang jumlahnya terbatas dan habis bereaksi terlebih dahulu. Pereaksi pembatas digunakan jika jumlah mol setiap pereaksi diketahui. Jika jumlah mol setiap pereaksi diketahui, harus menentukan jumlah mol pereaksi yang habis bereaksi atau pereaksi pembatas tersebut. Pereaksi pembatas berguna sebagai pembatas (patokan) untuk menentukan mol zat hasil reaksi. 1. Pengertian Pereaksi Pembatas Dalam suatu reaksi kimia, tidak selalu massa zat-zat yang bereaksi (zat reaktan) habis bereaksi seluruhnya membentuk hasil reaksi. Kadang-kadang, salah satu dari zat reaktan memiliki massa yang bersisa karena tidak habis bereaksi.

72 Pengantar ilmu KIMIA Reaktan yang sudah habis sebelum zat reaktan lainnya habis bereaksi disebut pereaksi pembatas, karena membatasi keberlangsungan reaksi. Jadi, perbandingan mol zat-zat pereaksi yang dicampurkan tidak selalu sama dengan perbandingan koefisien reaksinya, sehingga akan ada zat pereaksi yang akan habis bereaksi lebih dahulu. Pereaksi demikian disebut pereaksi pembatas. 2. Cara Menentukan Pereaksi Pembatas Dalam perhitungan kimia, pereaksi pembatas ditentukan dengan cara membagi semua mol zat reaktan dengan koefisien masing-masing reaktan, sehingga diperoleh suatu bilangan, di mana bilangan hasil pembagian yang lebih kecil bertindak sebagai pereaksi pembatas. Untuk menentukan pereaksi pembatas dalam kimia diperlukan beberapa cara, yakni: a. Jika menggunakan rasio mol, setarakan persamaan reaksi kimianya terlebih dahulu. b. Hitung rasio mol antara reaktan yang satu dengan reaktan lainnya. Bandingkan hasil hitungannya secara seimbang. c. Setelah didapatkan identifikasi reaktan pembatasnya, hitunglah selisih atau jumlah dari masingmasing reaktan tadi. Hal ini penting dilakukan sebagai hasil akhir karena dapat menentukan seberapa banyak zat habis dan zat sisa dalam sebuah reaksi.

Pengantar ilmu KIMIA 73 Contoh Direaksikan sebanyak 2 mol S dengan 10 mol F2. Jika diketahui reaksi yang terjadi adalah S (s) + 3F2 (g) --> SF6 (g), tentukan: a. Zat manakah yang bertindak sebagai pereaksi pembatas b. Berapa mol SF6 yang terbentuk? c. Berapa mol zat yang tersisa dan zat mana yang tersisa? Jawab: a. Berdasarkan reaksi yang terjadi, maka dapat ditentukan reaktan yang habis adalah sebagai berikut. mol S/koefisien : mol F2/koefisien = 2/1 : 10/3 = 2 : 3, 33 Ternyata, S lebih kecil daripada F2, sehingga dapat dipastikan bahwa reaktan yang habis adalah S dan S bertindak sebagai reaksi pembatas. b. Mol SF6 yang dihasilkan akan sesuai dengan mol S dikalikan dengan koefisien SF6, yaitu mol SF6 = 1 x 2 mol = 2 mol c. Zat yang tersisa adalah mol F2 mula-mula dikurangi dengan mol S dikalikan dengan koefisien F2, yaitu mol F2 (sisa) = 10 mol - (3 x 2 mol) = 10 mol - 6 mol = 4 mol Ayo Berlatih Mari cek pemahaman kalian tentang pereaksi pembatas dengan mengerjakan latihan berikut ini. 1. Logam magnesium dengan massa 3 gram direaksikan dengan larutan asam klorida yang mengandung HCl 40 gram. Reaksi yang terjadi adalah :

74 Pengantar ilmu KIMIA Mg(s) + HCl(aq) --> MgCl2(aq) + H2(g) Tentukan : a. Pereaksi pembatas b. Gas hidrogen yang dihasilkan pada keadaan STP c. Mol reaktan yang tersisa. 2. Sebanyak 16,8 gram kalsium nitrat dan 17,5 gram amonium fluoride direaksikan dalam ruang tertututp menghasilkan kalsium fluoride, dinitrogen monoksida, dan uao air. Hitunglah massa masing-masing zat yang dihasilkan. (Data massa atom relatif dilihat pada table periodik) E. Persen Hasil (Yield) Dalam sebuah reaksi kimia jarang dijumpai yang dapat menghasilkan produk 100% dan murni. Reaksi-reaksi kimia yang sering terjadi banyak yang menghasilkan produk yang tidak sesuai jumlahnya dengan perkiraan berdasarkan persamaan reaksi. Hal ini dikarenakan ada beberapa yang menyebabkan produk yang diperoleh tidak sesuai jumlahnya dengan perhitungan secara matematis sebagai berikut. 1. Reaksi yang terjadi belum sepenuhnya selesai a. Kesalahan saat penimbangan dan pengukuran reaktan b. Kesalahan saat memindahkan reaktan c. Bahan kimia yang digunakan tidak murni d. Terbentuknya produk samping e. Adanya pengotor yang menempel pada produk

Pengantar ilmu KIMIA 75 Dalam reaksi kimia hasil yang diperoleh disebut sebagai hasil aktual, sedangkan hasil yang diprediksi berdasarkan perhitungan disebut hasil teoritis. Dengan membandingkan hasil actual terhadap hasil teoritis diperoleh rumus debagai berikut. Contoh Besi dan belerang bereaksi membentuk besi sulfida menurut reaksi. Fe + S → FeS Jika sebanyak 1 mol besi bereaksi dengan 1 mol sulfur dan di akhir reaksi besi sulfida yang diperoleh adalah 86 gram, hitunglah persen hasil dari reaksi tersebut. Jawab: Langkah 1, mengecek kesetaraan reaksi Jumlah atom pada sisi reaktan dan sisi produk sudah sama, maka reaksi sudah setara. Langkah 2, menghitung hasil teoritis Reaksi 1 mol besi dan 1 mol sulfur akan menghasilkan 1 mol besi sulfida. Selanjutnya kita hitung massa teoritis besi sufida sebagai berikut. Massa FeS = n X Mr FeS = 1 mol x 88 g.mol-1 = 88 g Hasil teoritis yang seharusnya diperoleh adalah 88 gram

76 Pengantar ilmu KIMIA Langkah 3, menghitung persen hasil. Persen hasil diperoleh dengan membandingkan hasil aktual terhadap hasil teoritis. Hasil aktual sesuai soal adalah 86 gram, sedangkan berdasarkan perhitungan hasil teoritisnya 88 gram, sehingga persen hasilnya adalah : x 100 % hasil teoritis hasil aktual Persen hasil 100 % 86 86 x = 97,7 % F. Persen Kemurnian Salah satu penyebab tidak sesuainya jumlah produk reaksi kimia dengan perhitungan teoritis adalah ketidakmurnian bahan kimia yang tersedia. Jika kemurnian suatu bahan rendah, maka persen hasil yang didapatkan juga rendah. Kadar kemurnian bahan kimia dinyatakan dengan persen kemurnian sebagai berikut. Contoh Sebanyak 6,4 gram sampel tembaga yang tidak murni dipanaskan dalam burner dan bereaksi dengan oksigen menghasilkan tembaga (II) oksida yang berwarna hitam menurut reaksi 2Cu(s) + O2(g) → 2CuO(s)

Pengantar ilmu KIMIA 77 Jika di akhir reaksi diperoleh 6,8 gram tembaga oksida, hitunglah persen kemurnian dari tembaga! Jawab Diketahui: massa sampel tembaga = 6,4 gram dan massa CuO = 6,8 gram Mari kita hitung massa Cu dengan melihat hubungan stoikiometri dari reaksi kimianya. Langkah 1, menghitung mol Cu dengan menggunakan stoikiometri. Reaksi kimia yang terjadi adalah: 2Cu(s) + O2(g) → 2CuO(s) Perbandingan koeisien: 2 : 1 : 2 Dari perbandingan koeisien tersebut dapat kita ketahui bahwa mol CuO yang dihasilkan sama dengan jumlah mol Cu yang bereaksi, sehingga kita bisa menghitung mol Cu dari mol CuO sebagai berikut. massa molar CuO massa CuO Mol CuO mol g mol g 0,085 79,5 . 6,8 1 Mol Cu = mol CuO = 0,085 mol Langkah 2, menghitung massa Cu Massa Cu = mol Cu x massa molar Cu = 0,085 mol x 63,5 g.mol-1 = 5,34 g Langkah 3, menghitung persen kemurnian Cu

78 Pengantar ilmu KIMIA % x 100 % massa sampel massa Cu kemurnianCu 100 % 6,4 5,34 x g g Ayo Berlatih 1. Siswa madrasah melakukan percobaan dengan mereaksikan natrium sulfat dengan larutan barium klorida sesuai persamaan reaksi yang setara berikut : Na2SO4(aq) + BaCl2(aq) → 2NaCl(aq) + BaSO4(s) Larutan natrium sulfat yang dicampurkan mengandung 10,0 g Na2SO4 sedangkan larutan barium klorida mengandung 10,0 g BaCl2, dan diperoleh 12,0 g BaSO4. Hitunglah persen hasil (rendemen) dari percobaan yang ia lakukan. 2. Seng dan belerang bereaksi membentuk seng sulfide menurut reaksi Zn + S → ZnS 3. Jika sebanyak 1 mol seng bereaksi dengan 1 mol sulfur dan di akhir reaksi seng sulfide yang diperoleh adalah 92 gram. Hitunglah persen hasil dari reaksi tersebut (Ar Zn = 65, S=32).

Pengantar ilmu KIMIA 79 TERMODINAMIKA Siti Unvaresi Misonia Beladona, M.Si

80 Pengantar ilmu KIMIA A. Termodinamika Reaksi kimia sebagai proses yang melibatkan penataan elektron, pemutusan, dan atau pembentukan ikatan antar atom selalu membutuhkan atau melepaskan energi. Energi dibutuhkan jika reaksi kimia melibatkan proses eksitasi elektron atau pembentukan ikatan baru, sebaliknya energi dilepaskan jika reaksi kimia melibatkan proses emisi elektron atau pemutusan ikatan antar atom. Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Hukum Termodinamika telah diterapkan dalam penelitian terkait proses-proses kimia dan fisika. Hukum Termodinamika menyatakan bahwa kondisi-kondisi alam selalu mengarah kepada ketidakteraturan, seluruh alam semesta bergerak menuju keadaan yang semakin tidak teratur, tidak terencana, dan tidak terorganisir. Hukum pertama termodinamika berdasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika tentang proses alami atau proses spontan. Fungsi yang memprediksi spontanitas dalam suatu reaksi adalah entropi. Hukum kedua menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi adalah positif. Hukum ketiga memungkinkan kita dapat menentukan nilai entropi mutlak. Hukum bebas Gibbs membantu kita untuk menentukan spontanitas dari suatu reaksi dengan hanya fokus pada sistem. Perubahan energi bebas Gibbs untuk suatu proses dibuat dalam dua

Pengantar ilmu KIMIA 81 istilah, yaitu perubahan entalpi dan perubahan entropi dikalikan temperatur. Pada temperatur dan tekanan konstan, penurunan energi bebas Gibbs mengindikasikan bahwa reaksi tersebut merupakan reaksi spontan. Perubahan energi bebas Gibbs standar berkaitan dengan kesetimbangan konstan dari suatu reaksi. Kuantitas dan kualitas energi yang terlibat pada reaksi kimia tersebut dapat dipelajari secara mikroskopik dan makroskopik. Ilmu kimia yang mempelajarinya secara mikroskopik adalah termodinamika statistik dan secara makroskopik adalah termodinamika kimia. Termodinamika statistik menggunakan pendekatan teoritis, yakni berdasarkan energi internal masing-masing partikel. Energi internal tersebut meliputi energi elektron, energi inti atom, dan energi gerak vibrasi, rotasi, serta translasi partikel. Masing-masing energi internal ini dapat dihitung secara kuantum sehingga tidak membutuhkan besaran termodinamika lainnya. Sebaliknya, termodinamika kimia menggunakan pendekatan empiris dimana energi molekul dihitung berdasarkan perubahan besaran termodinamika lainnya. Besaran termodinamika tersebut meliputi temperatur, tekanan, dan volume. Jika energi molekul berubah, maka perubahan tersebut mengakibatkan terjadinya perubahan temperatur, tekanan, atau volume di sekitar molekul. Perubahan-perubahan tersebut diamati dan diukur secara kuantitatif untuk menentukan energi molekul. Oleh karena itu, termodinamika kimia merupakan cabang ilmu kimia yang meliputi pengamatan dan pengukuran besaran-besaran termodinamika.

82 Pengantar ilmu KIMIA B. Sistem dan Lingkungan Termodinamika Setiap penerapan hukum pertama pada suatu bagian diskrit dari alam semesta memerlukan definisi sistem dan lingkungannya. Proses kimia sebagaimana telah disebutkan di atas, demikian pula proses fisika selalu melibatkan materi dan terjadi dalam ruang tertentu, misal zat-zat kimia yang direaksi dalam dalam erlenmeyer, es yang dilelehkan dengan air dalam sebuah gelas, kayu yang dibakar dengan oksigen dalam ruang terbuka, atau gas yang dimasukkan ke dalam balon. Materi yang terlibat dan ruang tempat terjadinya beberapa proses tersebut adalah sistem termodinamika. Sistem adalah sejumlah zat yang dibatasi oleh dinding tertutup atau pemisah. Yang dimaksud dengan zat di sini dapat berupa zat padat, cair atau gas, dapat pula dipol magnet, energi radiasi, foton dan lain-lain. Sistem tersebut dikelilingi oleh lingkungan yang tidak terlibat secara langsung tapi mempengaruhi proses perubahan. Gambar 1. Sistem dan lingkungan yang dibatasi oleh batas sistem Batas sistem Sistem termodinamika Lingkungan

Pengantar ilmu KIMIA 83 Pemisah antara sistem dan lingkungan termodinamika disebut batas sistem. Dinding yang membatasi sistem dapat dengan lingkungan dapat dinyatakan nyata atau imajiner, dapat diam atau bergerak, dapat berubah ukuran atau bentuknya. Batas antara sistem dan lingkungan dapat bersifat nyata seperti gas dalam balon atau imajiner seperti air dan es dalam gelas. Es yang kita masukkan dalam air dapat dianggap sebagai sistem dan airnya sebagai lingkungan. Segala sesuatu di luar sistem yang mempunyai pengaruh langsung terhadap sistem disebut lingkungan. Namun pada kajian tertentu, air dan es dapat dianggap sebagai sistem, gelas sebagai batas, dan udara di sekitarnya sebagai lingkungan. Ilustrasi dari sistem dan lingkungan dapat dilihat pada Gambar 1. Berdasarkan hubungan antara sistem dengan lingkungannya, sistem dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu: 1. Sistem Terbuka, bila materi dan energi dapat berpindah melalui batas antara sistem dan lingkungan. 2. Sistem Tertutup, bila tidak ada perpindahan materi antara sistem dan lingkungannya tetapi terjadi perpindahan energi (panas). 3. Sistem Terisolasi, bila antara sistem dengan lingkungannya tidak terjadi perpindahan energi maupun materi. Ilustrasi dan penjelasan mengenai sifat perpindahan energi dan materi dari ketiga sistem tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.

84 Pengantar ilmu KIMIA Gambar 2. Tiga jenis sistem dalam termodinamika C. Persamaan keadaan Perubahan keadaan sistem sebagaimana disebutkan di atas dapat diamati dan diukur berdasarkan variabel-variabel tertentu. Variabel-variabel tersebut dibagi menjadi 2 golongan, yaitu: 1. Variabel intensif adalah variabel yang nilainya tidak tergantung pada ukuran/luas sistem, contoh tekanan (P), temperatur (T), besaran-besaran molar, potensial kimia, densitas, dan lain sebagainya. 2. Variabel ekstensif adalah variabel yang nilainya tergantung pada ukuran/luas sistem, contoh volume (V), massa (m), jumlah mol (n), panjang (l), dan lain sebagainya. Hubungan antara variabel-variabel tersebut dinyatakan sebagai persamaan keadaan. Contoh persamaan keadaan Uap air Panas Panas Sistem Terbuka Sistem Tertutup Sistem Terisolasi

Pengantar ilmu KIMIA 85 adalah persamaan keadaan gas ideal (pV = nRT), persamaan van der Waals, dan lain-lain. Persamaan-persamaan tersebut diturunkan berdasarkan eksprimen-eksprimen terhadap masing-masing variabel. Perubahan variabel-variabel intensif/ekstensif dalam suatu sistem kimia/fisika melibatkan energi tertentu yaitu kerja (w) dan atau kalor (q). Suatu sistem tidak akan berubah jika tidak melibatkan kerja atau kalor atau suatu sistem yang tidak berubah dikatakan tidak memiliki kerja atau kalor. Oleh karena itu kerja dan kalor dipengaruhi oleh proses perubahan sistem, sehingga kerja dan kalor disebut fungsi jalan. Selain itu, perubahan variabel-variabel intensif/ekstensif tersebut akan menyebabkan perubahan energi tertentu dalam sistem, yaitu energi dalam (U), entalpi (H), entropi (S), energi bebas Gibbs (G), dan atau energi bebas Helmholtz (A). Kelompok energi ini tidak dapat diukur secara langsung, tapi hanya dapat diketahui besar perubahannya (∆U, ∆H, ∆S, atau ∆G) berdasarkan keadaan awal dan akhir sistem sehingga kelompok energi ini disebut fungsi keadaan atau fungsi termodinamika. Proses perubahan keadaan adalah cara suatu sistem berubah dari satu keadaan ke keadaan lain. Proses tersebut dapat dikelompok menjadi dua jenis, yaitu proses reversibel dan proses irreversibel. Proses reversibel adalah proses yang berlangsung sangat lambat, sehingga setiap saat sistem selalu berada dalam keadaan kesetimbangan (quasy-static = seolah-olah statis). Contoh: H₂O (l, 100°C, 1 atm) ⇌ H₂O (g, 100°C, 1 atm) Reaksi ini memperlihatkan air dari fasa cair berubah menjadi air fasa gas kemudian balik lagi dari air fasa gas

86 Pengantar ilmu KIMIA menjadi air fasa cair pada tekanan dan temperatur yang sama. Proses reversibel dapat terjadi pada temperatur tetap (isotermal), tekanan tetap (isobar), volume tetap (isokhorik), entropi tetap (isotrop), dan tidak ada pertukaran panas antara sistem dan lingkungan (adiabatik). Proses reversibel sangat jarang terjadi, sebaliknya proses irreversibel adalah proses yang banyak terjadi di alam sekitar. Proses irreversibel adalah proses yang tidak memenuhi syarat reversibel. D. Kalor, Energi, Usaha Secara umum, pada bab ini akan membahas tentang energi dan hubungannya dengan kerja. Energi adalah kapasitas untuk melakukan kerja. Kerja (work) dilakukan jika gaya bekerja melewati suatu jarak. Objek yang bergerak melakukan kerja ketika objek itu melambat atau dihentikan. Jadi, ketika suatu bola biliar menghantam bola lainnya dan berhenti bergerak, maka kerja telah dilakukan. Energi dari objek bergerak disebut energi kinetik (kinetic energy). Hubungan antara kerja dan energi dapat dilihat dengan membandingkan satuan dari kedua kuantitas itu. Energi kinetik suatu objek didasarkan pada massa (m) dan kecepatan (u) melalui persamaan pertama di bawah ini; kerja (w) dihubungkan dengan gaya [massa (m) x percepatan (a)] dan jarak (d) oleh persamaan kedua. energi kinetik = ( ) ( ) kerja = ( ) ( ) ( )

Pengantar ilmu KIMIA 87 Ketika satuan rumus kerja dan energi digabungkan, dalam kedua kasus ini, satuan yang dihasilkan adalah kg m² s⁻². Satuan ini sama dengan satuan SI untuk energi yang disebut joule (J), dengan 1 joule = 1 kg m² s⁻². Kerja yang kita lakukan akan tersimpan sebagai energi yang memiliki potensial untuk melakukan keja bahkan ketika objek tersebut dilepaskan yang disebut sebagai energi potensial. Energi potensial (potential energy) adalah energi akibat dari kondisi, posisi, atau komposisi; energi ini berkaitan dengan gaya tarik atau gaya tolak antara objekobjek. Semua energi yang awalnya disimpan dalam objek sebagai energi potensial akhirnya akan muncul sebagai energi kinetik tambahan dari atom-atom dan molekulmolekul yang menyusun objek, permukaan, dan udara sekeliling. Energi kinetik ini berkaitan dengan gerak molekul acak yang dinamakan energi termal (thermal energy). Energi termal sebanding dengan suhu sistem, dimana semakin keras gerak molekul dalam sistem, semakin panas sampel itu dan semakin besar energi termalnya. Namun, energi termal suatu sistem juga bergantung pada banyaknya partikel yang ada sehingga sedikit sampel pada suhu tinggi (contohnya, secangkir kopi pada 75 °C) dapat memiliki energi termal yang lebih kecil dibandingkan sampel yang lebih besar pada suhu yang lebih rendah (contohnya, kolam renang pada 30 °C). Jadi, suhu dan energi termal harus benar-benar dibedakan. Sama pentingnya, kita perlu membedakan antara perubahan energi yang dihasilkan oleh aksi gaya melalui jarak, yaitu kerja, dan perubahan energi yang melibatkan transfer energi termal, yaitu kalor.

88 Pengantar ilmu KIMIA E. Kalor Selain menghasilkan produk baru, reaksi kimia dapat pula menghasilkan atau mengubah bentuk energi. Contoh yang sangat mudah kita temukan adalah proses metaboslime dalam tubuh manusia yang menghasilkan energi sehingga manusia dapat beraktivitas. Energi tersebut berasal dari bahan makanan yang mengalami proses penguraian dalam tubuh menghasilkan energi dalam bentuk kalor. Contoh yang lain adalah gerakan piston mesin motor karena memperoleh energi mekanik dari energi kalor hasil reaksi pembakaran bensin. Kalor (heat) adalah energi yang ditransfer antara suatu sistem dan lingkungannya sebagai akibat dari perbedaan suhu. Energi, sebagai kalor bergerak dari benda yang lebih hangat (dengan suhu yang lebih tinggi) ke benda yang lebih dingin (dengan suhu yang lebih rendah). Pada tingkat molekul, molekul-molekul pada benda yang lebih hangat, melalui benturan, kehilangan energi kinetik dan mengalihkannya ke benda yang lebih dingin. Energi termal ditransfer sampai energi kinetik rerata molekul di antara kedua benda menjadi sama sampai suhu menjadi sama. Kalor, seperti halnya kerja, menjelaskan energi yang berpindah antara suatu sistem dan sekelilingnya. Transfer kalor tidak hanya dapat mengubah suhu tetapi dalam beberapa hal, juga dapat mengubah wujud materi. Contohnya, ketika suatu padatan dipanaskan, molekul, atom, atau ion dalam padatan bergerak dengan kekuatan lebih besar dan akhirnya terbebas dari tetangganya dengan cara mengatasi gaya tarik ini. Setelah proses pelelehan,

Pengantar ilmu KIMIA 89 suhu tetap konstan karena transfer energi termal (kalor) digunakan untuk mengatasi gaya yang mempertahankan padatan tersebut. Proses yang terjadi pada suhu konstan disebut sebaga isotermal. Setelah padatan meleleh sempurna, kalor yang masih mengalir akan menaikkan suhu cairan yang dihasilkan. Kuantitas kalor, q, yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu zat bergantung pada: a. Banyak suhu suhu yang harus diubah b. Kuantitas zat c. Sifat zat (jenis atom atau molekul) Kuantitas kalor yang diperlukan untuk mnegubah suhu satu gram air sebesar satu derajat Celsius disebut sebagai kalori (kal). Kalori adalah satuan energi yang kecil, dan satuan kilokalori (kkal) juga digunakan secara luas. Satuan SI untuk kalori adalah satuan SI untuk energi, yaitu joule (J). 1 kal = 4,184 J Kuantitas kalor kalor yang diperlukan untuk mnegubah suhu suatu sistem sebesar satu derajat disebut kapasitas kalor (heat capacity) sistem tersebut. Jika sistem adalah satu mol zat, digunakan istilah kapasitas kalor molar. Jika sistem adalah satu gram zat, digunakan istilah kapasitas kalor spesifik atau kalor spesifik (specific heat). Kalor spesifik zat bergantung pada suhu, dimana pada kisaran 0 sampai 100 °C, kalor spesifik air rerata sekitar

90 Pengantar ilmu KIMIA Hubungan antara kuantitas kalor dengan massa zat, kalor spesifik, dan perubahan suhu, ditunjukkan pada persamaan berikut. kuantitas kalor = massa zat x kalor spesifik x perubahan suhu kapasitas kalor = C = massa zat x kalor spesifik q = m x kalor spesifik x ∆T = C x ∆T Perubahan suhu dinyatakan dalam ∆T = Tf -Ti, dengan Tf (final) adalah suhu akhir dan Ti (initial) adalah suhu awal. Jika suhu sistem naik, Tf ˃ Ti, maka ∆T positif. Nilai q positif mennadakan bahwakalor diserap atau diperoleh sistem. Jika suhu turun, Tf ˂ Ti, maka ∆T negatif. Nilai q negatif menandakan bahwa kalor dikeluarkan atau dilepaskan oleh sistem. Gagasan lain yang masuk ke dalam perhitungan kuantitas kalor adalah hukum kekekalan energi (law of conservation energy), dimana interaksi antara sistem dan lingkungannya, energi total tetap konstan, artinya energi tidak diciptakan atau dihancurkan. Jika diberlakukan dalam pertukaran kalor, berarti qsistem + qlingkungan = 0 Jadi, kalor yang diperoleh sistem adalah kalor yang dilepaskan oleh lingkungannya, dan sebaliknya. qsistem = -qlingkungan